TI-3222: Otomasi Sistem Produksi

(1)

TI - 3222: Otomasi Sistem Produksi

D a sa r - da sa r N um e r ica l Con t r ol

Laborat orium

Sist em

Produksi

w w w .lspit b.org

©

2004

TI-3222: Otomasi Sistem Produksi - 8

2

D e pa r t e m e n Te k n ik I n du st r i FTI - I TB

Hasil Pembelajaran

• Um um

Mahasiwa m am pu unt uk m em aham i cara pengendalian

m esin NC, prinsip m esin NC, dasar perhit ungan sudut ,

pem posisian sert a pergerakan pada m esin NC.

• Khusus

(2)

3 Perkembangan mesin Numerical Control (NC)

• Era 1960- an m ulai dipelaj ar i oleh U.S. Airforce unt uk

m erancang kom ponen pesawat t erbang.

• Kem am puan ini dapat m enghem at biaya unt uk pem esinan

presisi berbent uk cont our.

• Pada 1947, Parson m engem ukakan ide pem buat an kurva

dat a 3- axis secara ot om at is dan m enggunakan dat a unt uk

m engkont rol m esin.

• Parson m enggunakan punched card unt uk m engont rol

posisi m esin.

• Pada 1949, Parson dan U.S. Airforce m encipt akan

prot ot ipe program m able m illing m achine.

• Pada 1952, awal m ulanya dit am pilkan m esin m illing NC

“ t hree- axis Cincinnat i Hydrot el” .

• Dew asa ini, pasaran m esin NC di Am erika m asih di

dom inasi oleh m esin buat an Jepang.

Prinsip mesin NC

• NC adalah pengont rolan m esin perkakas

m enggunakan pit a berlobang ( punched t ape)

at au program .

• NC dikem bangkan oleh Elect ronic I ndust ries

Associat ion ( EI A) sebagai suat u sist em yang

akt ivit asnya dikont rol oleh dat a num erik yang

diisikan pada beberapa t it ik.

• Sist em harus secara ot om at is dit erj em ahkan

pada pengendalian m esin dan

sekurang-kurangnya dengan porsi dat a t ert ent u.

• Suat u

part program

m erupakan sekum pulan dat a

(3)

5 Sistem mesin NC

• Sist em m esin perkakas NC t erdiri

dari

Machine cont rol unit ( MCU) Mesin Perkak as

• MCU t erdiri dari

Dat a pr ocessing unit ( DPU) , y ang m em proses pem bacaancoded dat adari t ape at au m edia lain dan m enerusk an infor m asi ( arah gerakan, feed, dan kont rol fungsi t am bahan) set iapaxis ke CLU. Cont rol- loops unit ( CLU) ,

m engoperasik an m ekanism e gerakan m esin, m enerim a isy arat feed back t ent ang posisi akt ual dan kecepat an gerak set iap axis dan m enginfor m asikan k apan operasi pem esinan selesai dikerj akan.

MCU

DPU CLU

Mesin Perkakas

6 DPU dan CLU

• Dat a processing unit ( DPU) , t erdiri dari

Perangkat dat a- input sepert i paper t ape reader,

m agnet ic reader, RS- 232- C port dan lainnya

Dat a reading circuit s

dan

parit y- checking logic.

Decoding circuit s

unt uk pem bahagian dat a bagi

pengont rolan axis.

• Cont rol- loops unit ( CLU) , t erdiri dari

Suat u fungsi int erpolat or unt uk m em erint ahkan perint ah

m achine- m ot ion ant ara dat a t it ik- t it ik bagi gerakan t ool.

Perangkat posit ion- cont rol- loops unt uk sem ua gerakan

axis ( set iap axis m em punyai cont rol- loops t erpisah) .

Velocit y- cont rol loops, m em er lukan kont rol

feed

.

Decelerat ion dan backslash t akeup circuit s

Kont rol unt uk fungsi t am bahan ( coolant on/ off,

(4)

7 Kode NC

• Kont rol gerakan m esin

perkakas NC diperoleh secara

lengkap dengan t erj em ahan

kode NC k e perint ah m esin

• Kode NC dikelom pokkan:

Per int ah unt uk pengont r olan kom ponen m esin secara individu sepert i kont r ol m esin on/ off, pem ilihan kecepat an spindle, t uk ar t ool, kont rol coolant on/ off

Perint ah pengont rolan gerakan relat if benda k erj a dan t ool ( infor m asi axis dan per pindahan j arak pada set iap w akt u) .

• Sem ua dit erj em ahkan ke

m achine- cont rol m elalui sist em

elect ro- m echanical cont rol.

NC Program

Execution system

Interpolator & servo control mechanism

Control logic

Linear motion

Translator

Relay

Selenoid Power

Komponen utama mesin NC

Magnetics Control Cabinet

Head

Table

Bed

Hydraulic reservoir

Motor conduit

Feedback “package”

conduit

Numerical Control System

Or “Director”

Hydraulic

motor Hydraulic valve

Hydraulic pipe

Machine Tool conduit

(5)

9 Klasifikasi NC

• Mot ion cont rol

Point t o point ( PTP)

Cont inuous ( cont ouring) pat h

• Cont r ol loops

Open loop

Closed loop

• Pow er drives

Hydraulic

Elect ric

Pneum at ic

• Posit ioning syst em s

I ncrem ent al posit ioning

Absolut e posit ioning

1 0

Motion control (point to point - PTP)

•

Mot ion cont rol PTP adalah

per geser an m ej a m esin at au spindle ke posisi t ert ent u dan pem esinan ak an dim ulai pada posisi t er sebut .

•

Pada kasus drill, per lu dibuat k an lint asan pahat yang t idak m engenai benda kerj a.

•

Set iap t it ik pada lint asan t er sebut m erupakan aw al sebelum m elak ukan drilling ( lihat gam bar PTP m ot ion cont rol) .

•

Beberapa k em ungk inan lint asan t ool unt uk ber gerak dari t it ik P ke t it ik Q ( lihat gam bar possible pat hs bet ween t wo locat ion)

PTP motion control

(6)

1 1

Motion control (continuous path)

• Pada cont inuous pat h,

kont rol m esin

m enggerakan dua axis

at au lebih secara sim ult an.

• Pengont rolan gerakan t ool

bergant ung pada lint asan

dan bukan t erfokus pada

t uj uan ( t it ik) akhir.

• Pem ot ongan :

Tool akan m enyent uh

benda kerj a

Pem ot ongan dan

t ool pat h

ber pedom ankan pada

bent uk yang akan dibuat

Continuous-path control

Motion control

(continuous path – linear interpolation)

•

Pem ot ongan slot dilakuk an dari ar ah kiri

ke kanan dengan sudut 30o_,

•

Spindle at au m ej a bergerak sej auh

4.330in kear ah kanan, dan keat as sebesar 2.500in. Ger akan diagonal dilakukan sej auh 5.000in.

•

Pada pem ot ongan ini m em erlukan dua m ot or pengger ak bergerak secara sim ult an dengan dua k ecepat an yang berbeda.

•

Sist em cont our ing cont rol ini lebih m ahal dibandingkan dengan peralat an PTP.

•

Pengont rolan laj u lint asan adalah proposional dengan j ar ak per pindahan (∆x dan∆y) y ang disebut dengan linear int er polat ion.

•

Vfadalah kecepat an gerakan, Vxdan Vy adalah kecepat an arah x dan y.

f

y

V

y

x

y

V

2 2

+

∆

=

f

x

V

y

x

V

2 2

₊

_∆

(7)

1 3

I nterpolasi sirkular

• NC selalu m encapai akurasi

geom et ri bent uk kom plek yang

lebih baik dan harga sedik it

lebih m ahal dibandingkan

konvensional

• I nt er polasi selalu m enj adi t im

e-consum ing j ika dihit ung secara

m anual.

• I nt er polasi sirkular selalu

dikelom pokkan pada

I nner t olerance Out er t olerance Tot al t oler ance

• Besar t olerance selalu

dibandingkan ant ara kurva

dengan garis akt ual.

Inner tolerance (ti)

Outer tolerance (to)

Total tolerance (tt)

1 4

Perhitungan sudut (

θ

)

• I nner t olerance

(a) Inner-tolerance specification

(c) Total tolerance specification

2

θ tt

R tt

(b) Outer-tolerance specification

2

θ to

(8)

1 5

Perhitungan sudut

• Cara m endapat kan j um lah

chord pada lingkaran at au

kurva

Dengan t it ik pusat a,b dan

radius R, m aka

Nilai int eger dari j um lah

chord

Perhit ungan sudut adalah

(d) Convention for numbering chord

θ

o

360 NCHORD

=

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

θ

o *

360 int

NCHORD

* o *

NCHORD

360 =

θ

P1

P2

P3

PNCHORD

PNCHORD-1

(a,b)

Controh perhitungan sudut

• Unt uk m encari koordinat pada

lingkaran adalah sebagai

berikut :

x

₁

=

a

+

R

y

1

=

b

x

₂

=

a

+

R cos

θ*

y

2

=

b

+

R sin θ*

x

₃

=

a

+

R cos

2 θ*

y

₃

=

b

+

R sin

2 θ*

Secara umum untuk titik

P

i

adalah

x

_i

=

a

+

R cos

(

i

- 1)

θ*

y

_i

=

b

+

R sin

(

i

- 1)

θ*

P1 P₂ P3

P_NCHORD

(9)

1 7

I nterpolasi lain

• Teknik m engukur int erpolasi

Chords : digunakan unt uk variasi geom et ris ( t idak t epat

unt uk perhit ungan t olerance)

nBLUs

: berpedom an pada ukuran langkah at au st ep- size

( pengukuran lebih m endek at i ukuran sebenar)

• Teknik pengukuran int erpolasi dengan nBLUs

St raight - line int erpolat ion

Circular int erpolat ion

• Pengukuran ini m enggunakan segm en garis lurus dalam

m elakukan perpindahan dari sat u t em pat ke t em pat lain

secara inkrem en,

f

(

x,y,z

) .

1 8

I nterpolasi straight-line dengan nBLUs

Prosedur

•

Buat per sam aan lint asan dari t it ik awal ( X₀,Y₀) dan t it ik akhir ( X1,Y1) .

•

Cari arah per pindahan

Jika X1- X0> 0, bergerak kearah X

posit ip

Jika X1- X0< 0, bergerak kearah X

negat ip

Jika X1- X0= 0, t idak ber gerak

pada arah X

Unt uk arah Y dapat dilakukan dengan cara yang sam a

•

Dapat kan err or ( Ex, Ey)

•

Evaluasi gerak an

•

Updat e X₀dan Y₀m enj adi t it ik acuan yang baru

nBLU<X>

nBLU<

Y

>

Ex Ey

(X0, Y0)

(X1, Y1)

Kandidat titik step pertama

Kandidat titik step kedua

Bila step-size kecil (nBLUsÆ0) Bila step-size meningkat, pola peningkatan “stair-case” akan mudah terlihat Y

(10)

1 9

I nterpolasi circular dengan nBLUs

Prosedur

1. Pada awal t it ik, coba dapat kan garis t angent

2. Cari error ( Ex, Ey) dari t it ik nBLU ke

garis t angent

Jik a Ex< Ey, m aka t eruskan ke arah X dan updat e t it ik yang ada.

Jik a Ex> Ey, m aka t eruskan ke arah Y dan updat e t it ik yang ada.

Jik a Ex= Ey, m aka t eruskan ke salah sat u ar ah dan updat e t it ik yang ada.

3. Evaluasi gerak dan j angan m elebihi t it ik akhir lingkaran dan berhent i. Kalau t idak lanj ut kan st ep 4. 4. Gam bar garis ant ara t it ik pusat dan

t it ik selanj ut nya dari axis yang dipilih. 5. Dapat kan garis t angent pada t it ik

dim ana lingkaran dan garis dan st ep 4. Kem udian kem bali ke st ep 2.

Lingkaran yang ada

Garis tangent pada (X1,Y1)

Garis tangent pada (X0,Y0)

nBLU<X>

nBLU<

Y

>

Ex Ey Titik mula

(X0, Y0)

nBLU<X>

nBLU<

Y

>

(X1, Y1) = (X0+nBLU, Y0)

Ey

n Chord method (circular interpolation)

t = 0.05 (in) t = 0.01 (in)

t = 0.05 (in) t = 0.01 (in) t = 0.005 (in)

n = 100BLU = 0.05 (in) n = 10BLU = 0.005 (in)

(1) Inner tolerance

(2) Outer tolerance

(3) nBLU Method

(11)

2 1

I nterpolator timing

• Ada dua cara unt uk

m endapat kan pulsa

dalam int erpolat or

Menggunakan soft ware

dan hardware unt uk

m em bangkit kan sinyal

pulsa

Menggunakan t im er

• Pulsa diagram

dihasilkan oleh pulsa

div ider.

• Jika m enggunakan

t im er, nilai regist er j uga

akan digunakan unt uk

m em bagi clock

control Motor

f

_r

feedback

x - axis

result y: fr

Base interupt clock x: fr

Y

X

A Pulse divider

A Pulse diagram

Penggunaan timer untuk menghasilkan pulsa

2 2

I nterpolator timing

• Jika m enggunakan t im er, nilai

regist er j uga akan digunakan

unt uk m em bagi clock

frekuensinya.

• Frekuensi out put dan regist er

value dapat diperoleh dengan

dim ana:

Penggunaan timer untuk menghasilkan pulsa

(12)

2 3

Perhitungan jumlah pulsa

Data :

BLU

= 0.001in.

f

= 1 x 10

3

_Hz

• Posit ion t ransducer

Digunak an pada sist em closed- loop unt uk feedback posit ion

Cont oh di m esin NC adalah encoder , r esolver , induct osyns.

Sem ua infor m asi dik irim dalam sinyal elekt rik

• Encoder

Selalu digunak an unt uk m engukur per pindahan secara angular . Ada dua j enis encoder

( ink rem en & absolut ) Out put encoder absolut

berupa kode biner yang m enunj ukkan posisi angular por os.

Encoder inkrem en

Dim ana: frekuensi pulsa out put , pulse/ s (f) dan kecepat an input angular, rpm (ω)

•

Resolver

Sam a dengan generat or AC, berfungsi sebagai perangkat analog

Dim ana: volt ase AC ouput (v) dan konst ant a revolver (Ke)

•

I nduct osy ns

Selalu digunakan pada t ransduser linear dan j uga dapat digunakan pada pengukuran rot asi.

ωÆ Ke Æf

ω Æ Ke Æv

( )

t

=

V

sin

[

(

w

( )

t

+

w

0

)

t

+

φ

0

]

(13)

2 5

Transduser

• Speed t ransducer

Yang biasa digunakan

adalah t achom et er

dim ana:

v

= volt ase out put , volt s

ω

= kecepat an angular

poros, rad/ s

K

_t

= konst ant a t achom et er,

volt s/ rad

ω Æ Kt Æv

Tachometer Encoder

2 6

Control loops

Open- loops cont rol m echanism

Pada skem a disam ping, cont roller digunakan sebagai on- line processor dar i progr am dan dat a agar dapat m elak sanakan perint ah spesifik unt uk m anipulasi m esin dan pr oses akt uat or .

Prinsip open- loops j uga berupaya m enggunakan kom put er sebagai m anipulasi elekt r ik at au m ot or st epper elekt r ohidrolik unt uk

pengont rolan m esin perkakas

Stepping motor

NC Control Logic

Electric Pulse

∆X Table

(14)

2 7

Control loops

Closed- loops cont rol m echanism

Mekanism e unt uk m elakukan t indakan korek si yang m em bandingk an hasil dat a akt ual dengan hasil dat a yang diharapk an.

Pada sist em dibaw ah, m enggam bar k an sist em pengont r olan dim ana pengont rol dit em pat kan pada cont r ol- loop dengan m engum pulkan dat a dari sensor proses, m enerim a st at us referensi yang diharapk an ( set point ) dari operat or , dan cont rol loop diak hir i dengan per int ah m anipulasi yang m eny ebabk an perubahan spesifik dalam out put pr oses.

Encoder Gear

box Tacho meter Amp _MotorDC DAC

Penggerak t enaga:

Tenaga hidrolik Tenaga elekt rik

• Tenaga hidrolik

Terdiri dari m ot or hidrolik , penggerak m ula, pom pa hidr olik ( suplai t enaga hidr olik ke m ot or) , m ot or

• Tenaga elekt rik

Mot or st epper

Workpiece Motion of the table Operator

control

Pulses from Electronic

Merupakan akt uat or elekt rom ekanikal yang

m ent erj em ahkan sinyal elekt rik ke sist em m ekanikal yang baku.

(15)

2 9

Positioning Systems

Ger akan posisi seper t i t er gam bar

• Leadscr ew ( ACME scr ew t hr ead) sebesar 20t ur ns/ in. • Sist em pengger ak dengan gain ( g) encoder sebesar

500pulsa/ r ev. • BLU dapat dihit ung

Pit ch = P = 1/ 20t hr ead/ in. = 0.05t hr eads/ in

BLU = P/ g = ( 0.05in./ r ev) / ( 500pulses/ r ev) = 0.0001in./ pulse

• Bila kem am puan m ot or ber put ar sebesar 1300r pm , m aka kecepat an ger ak m ej a m esin ( single- axis) dapat dihit ung ( r pm )m ax= 1300r ev/ m in

Vm ax = P* ( r pm )m ax= ( 0.05in./ r ev) ( 1300rev./ m in) = 65in./ m in

• Lam a per ger akan sej auh 2.5inchi pada kelaj uan 6in./ m in adalah V = s/ t

T = s/ V = ( 2.5in.) / ( 6in./ m in) = 0.4167m in= 25s

• Jum lah sinyal encoder yang seharusny a kem bali adalah p = s/ BLU = ( 2.5in.) / ( 0.0001in./ pulse) = 25,000pulses

• Kelaj uan pulsa adalah

rp= p/ t = 25,000pulses/ 25s = 1000pulses/ s

75

45

25

20 35

45

TI-3222: Otomasi Sistem Produksi